專利名稱：基于squid偏置電壓反轉(zhuǎn)的讀出電路及低頻噪聲的抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于SQUID偏置電壓反轉(zhuǎn)的讀出電路及低頻噪聲抑制方法，所述的低頻噪聲抑制是基于偏置電壓反轉(zhuǎn)的讀出電路實(shí)現(xiàn)的。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)是一種靈敏度極高的磁敏感器件，可構(gòu)建超導(dǎo)磁傳感器并用于生物磁、低場(chǎng)磁共振及物探等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高精度磁測(cè)量。根據(jù)工作原理不同，可以將超導(dǎo)量子干涉器件分為DC SQUID和RF SQUID兩類，偏置電流漲落、磁通陷入(flux trap) 等因素導(dǎo)致SQUID低頻本征噪聲顯著，前置放大器等電路的低頻噪聲也會(huì)導(dǎo)致基于SQUID 的磁傳感器(尤其是高溫超導(dǎo)SQUID磁傳感器)產(chǎn)生較大低頻噪聲，嚴(yán)重制約SQUID在低頻磁測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用。SQUID偏置模式有電流偏置與電壓偏置兩種模式，目前已有多種基于超導(dǎo)SQUID 的低頻噪聲抑制方法。電流偏置模式專利US6501268B1公布了一種基于磁通調(diào)制技術(shù)降低磁傳感器低頻Ι/f噪聲的方法，該方法通過(guò)在傳感器中加入較高頻率的調(diào)制磁通，將被測(cè)低頻信號(hào)調(diào)制到高頻處(一般IOOkHz左右)，從而避開前置放大器的Ι/f噪聲，實(shí)現(xiàn)低頻噪聲抑制。該方法可有效抑制前置放大器引入的低頻噪聲。專利US4389612公布了一種偏置電流反轉(zhuǎn)技術(shù)抑制SQUID低頻噪聲的方法，該方法通過(guò)改變SQUID偏置電流(從直流到交流方波)，在放大器輸出端進(jìn)行解調(diào)消除載波，可消除臨界電流漲落因素導(dǎo)致的SQUID低頻噪聲，該專利也公布了偏置電流反轉(zhuǎn)和磁通調(diào)制技術(shù)相結(jié)合的低頻噪聲抑制方法，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)前置放大器和電流漲落引入的低頻噪聲抑制。電壓偏置模式專利 EU647722 (SQUID with a coil inductively coupled to the SQUID via a mutual inductance)公布了一種叫做SBC (SQUID boottrap circuit)的 SQUID構(gòu)型，該構(gòu)型包括一個(gè)SQUID和一個(gè)與之相耦合的線圈，可實(shí)現(xiàn)對(duì)前置放大器噪聲的自反饋抑制，抑制效果與磁通調(diào)制技術(shù)相同。在直流偏置模式下，該構(gòu)型的讀出電路結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，對(duì)于多通道SQUID磁測(cè)量具有重要意義。針對(duì)電流偏置模式，專利US6501268B1公布的磁通調(diào)制方法和專利US4389612公布的偏置反轉(zhuǎn)與磁通調(diào)制相結(jié)合的方法在抑制低頻噪聲方面效果明顯。針對(duì)電壓偏置模式下工作的SBC構(gòu)型SQUID，噪聲自補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)了與磁通調(diào)制類似的功能，但是在直流偏置模式下，磁通陷入和偏置電流漲落引入的SQUID低頻本征噪聲無(wú)法得到有效消除，急需在 SBC構(gòu)型SQUID基礎(chǔ)上開發(fā)一種方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)SQUID低頻本征噪聲的有效抑制。本發(fā)明將在專利EU647722公布的直流偏置SBC構(gòu)型的基礎(chǔ)上，提出一種基于SBC 構(gòu)型SQUID的偏置反轉(zhuǎn)技術(shù)的低頻本征噪聲的抑制方法
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于SBC構(gòu)型SQUID偏置電壓反轉(zhuǎn)的讀出電路及低頻噪聲抑制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)臨界電流漲落和磁通陷入引入的低頻本征噪聲的抑制。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)的依專利EU647722公布的SBC構(gòu)型超導(dǎo)SQUID器件(1)與Ll線圈(2)構(gòu)成第一條支路，分流電阻(3)和L2線圈串聯(lián)構(gòu)成第二條支路，Ll和L2線圈為靠近SQUID器件的多匝空心線圈，Ll線圈為KT1IiH量級(jí)，L2線圈為3nH左右。Ll線圈Q)、L2線圈和反饋線圈(13)與超導(dǎo)SQUID器件(1)均存在耦合關(guān)系(圖中用箭頭表示)。這兩個(gè)支路并聯(lián)即構(gòu)成了 SBC構(gòu)型的低溫部分。兩個(gè)支路并聯(lián)后連接到運(yùn)算放大器(5)反相輸入端，直流偏置調(diào)整電壓源(7)從運(yùn)算放大器同相端加入到兩條并聯(lián)支路的兩端。基于SBC構(gòu)型的偏置電壓反轉(zhuǎn)通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器(5)和跨導(dǎo)電阻 (6)構(gòu)成跨導(dǎo)前置放大器，跨導(dǎo)電阻一般為:3K-10K，SBC構(gòu)型(1、2、3、4)連接到跨導(dǎo)前置放大器，跨導(dǎo)前置放大器的輸出連接到次級(jí)放大器(8)，次級(jí)放大器增益一般為50-200倍，其輸出連接到載波消除單元(9)、積分器(10)(積分時(shí)間常數(shù)一般為O.Olms-lOms，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整)、反饋電阻(12)(—般為數(shù)十至數(shù)百K Ω電阻)和反饋線圈(13)(—般為3-10 匝，毫米量級(jí)直徑的空心線圈，電感為納亨量級(jí))，方波信號(hào)發(fā)生器(11)產(chǎn)生三路方波信號(hào) (分別用于偏置電壓，載波消除和直流磁通補(bǔ)償及磁通調(diào)整)，作為偏置電壓的方波信號(hào)連接到運(yùn)算放大器(5)的同相輸入端，載波消除方波信號(hào)連接到載波消除單元(9)，直流磁通補(bǔ)償與磁通調(diào)整方波信號(hào)連接到反饋線圈(13)。本發(fā)明提供一種基于SBC構(gòu)型的偏置電壓反轉(zhuǎn)SQUID電路讀出電路及低頻噪聲的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)SQUID低頻本征噪聲和前置放大器引入的低頻噪聲的抑制。該方法是直接讀出方法，電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，便于多通道集成，可廣泛應(yīng)用于生物磁、物探等低頻磁測(cè)量。


圖1是SBC偏置反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的原理示意圖，從左到右分別為SBC構(gòu)型工作于直流偏置下的磁通-電流曲線(a)、加入方波偏置后的磁通-電流曲線(b)、進(jìn)行磁通相位調(diào)整和直流磁通補(bǔ)償后的磁通-電流曲線(c)和進(jìn)行載波消除后的磁通-電流曲線(d)。圖2是本發(fā)明提供的SBC偏置反轉(zhuǎn)的電路結(jié)構(gòu)圖。圖中1.超導(dǎo)SQUID器件；2. Ll線圈；3.分流電阻；4. L2線圈；5.運(yùn)算放大器；6.跨導(dǎo)電阻；7.偏置電壓調(diào)整單元；8.次級(jí)放大器；9.載波消除單元；10.積分器；11.方波信號(hào)發(fā)生器；12.反饋電阻；13.反饋線圈。圖3是加法器實(shí)現(xiàn)載波消除的原理示意圖。圖4是方波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的三組信號(hào)波形與時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，進(jìn)一步闡述本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步。直流電壓偏置SBC構(gòu)型SQUID的磁通-電流曲線如附圖1的圖(a)所示。直流電壓偏置模式下，外磁通信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)讀出，磁通-電流曲線可直觀描述SQUID的磁通轉(zhuǎn)換特性。SBC構(gòu)型的磁通-電流曲線受該構(gòu)型電感耦合的綜合影響，不再是對(duì)稱的類正弦波形，出現(xiàn)了陡邊和緩邊的區(qū)別，當(dāng)工作點(diǎn)鎖定在陡邊上時(shí)，電流/磁通轉(zhuǎn)化系數(shù)最大；同時(shí)，并聯(lián)電感使SBC構(gòu)型的動(dòng)態(tài)電阻變大。上述兩個(gè)效應(yīng)共同實(shí)現(xiàn)對(duì)前置放大器輸入電壓噪聲的抑制。方波偏置電壓加載基于上述SBC構(gòu)型，加入方波偏置電壓后，磁通-電流曲線變化為圖1(b)所示的波形由于交流方波偏置電壓的加入，磁通-電流曲線隨方波反轉(zhuǎn)，出現(xiàn)正負(fù)兩條磁通-電流曲線包絡(luò)，兩條曲線中間是放大器輸出信號(hào)中包含的方波載波。磁通相位調(diào)整在不考慮線圈Ll和L2磁通對(duì)SQUID影響的前提下，正負(fù)磁通-電流曲線相位相差180度，由于SBC構(gòu)型磁通-電流曲線陡邊和緩邊變化規(guī)律不一致，無(wú)法進(jìn)行工作點(diǎn)鎖定并讀出磁通信息，需要將正負(fù)磁通-電流曲線相位偏移調(diào)整180度，使正負(fù)磁通-電流曲線相位一致。直流磁通補(bǔ)償實(shí)際使用時(shí)，線圈Ll和L2會(huì)在SQUID中產(chǎn)生磁通，導(dǎo)致相位調(diào)整后的正負(fù)磁通電流曲線仍然存在相位偏移，這可通過(guò)直流磁通補(bǔ)償，消除相位漂移，并使正負(fù)磁通電流曲線相位同相對(duì)齊。磁通相位調(diào)整和直流磁通補(bǔ)償原理示意圖如附圖1(c)所示。載波消除為消除磁通-電流曲線中方波偏置電壓引入的方波載波，需要利用載波消除單元，消除輸出信號(hào)中的載波成分，將相同相位的正負(fù)磁通-電流曲線合并為一條， 以便讀出電路工作點(diǎn)鎖定，從而實(shí)現(xiàn)外界磁通變化的檢測(cè)，過(guò)程如附圖1(d)所示。圖2是本發(fā)明提供的為抑制低頻噪聲設(shè)計(jì)的基于偏置反轉(zhuǎn)電路，所述的電路由 SBC構(gòu)型SQUID和偏置反轉(zhuǎn)讀出電路兩部分構(gòu)成。圖中，SQUID器件1與串聯(lián)耦合線圈2串聯(lián)構(gòu)成串聯(lián)支路，分流電阻3和一個(gè)并聯(lián)耦合線圈4串聯(lián)構(gòu)成第二條支路。這兩個(gè)支路并聯(lián)構(gòu)成SBC構(gòu)型的低溫部分，共同連接到運(yùn)算放大器5反相輸入端，跨導(dǎo)電阻6兩端分別連接運(yùn)算放大器5反相輸入端和輸出端，直流偏置調(diào)整電壓源7從運(yùn)算放大器5同相端加入，運(yùn)算放大器5的輸出連接到次級(jí)放大器 8，并依次連接到載波消除單元9、積分器10、反饋電阻12和反饋線圈13，方波信號(hào)發(fā)生器 11產(chǎn)生三路方波信號(hào)(分別用于偏置電壓，載波消除和磁通調(diào)整)，用于偏置電壓連接到運(yùn)算放大器5的同相輸入端，載波消除連接到載波消除單元9，磁通調(diào)整連接到反饋線圈 13。利用圖2所述的讀出電路基于以下調(diào)整步驟，實(shí)現(xiàn)偏置反轉(zhuǎn)電路工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SQUID傳感器的低頻噪聲的抑制。1、放大器輸入偏置電壓調(diào)整由運(yùn)算放大器( 和跨導(dǎo)電阻構(gòu)成的跨導(dǎo)前置放大器增益一般在60_80dB，跨導(dǎo)前置放大器輸入端存在輸入失調(diào)電壓，如未經(jīng)補(bǔ)償直接連接SQUID時(shí)，可能導(dǎo)致靜電放電損壞SQUID器件，同時(shí)也將導(dǎo)致加入交流方波偏置電壓后SQUID兩端偏置電壓不對(duì)稱，并引入噪聲。因此通過(guò)直流偏置調(diào)整電壓源(7)，對(duì)放大器輸入失調(diào)電壓進(jìn)行補(bǔ)償。2、交流方波偏置電壓加載交流方波偏置電壓由方波信號(hào)發(fā)生器(11)產(chǎn)生，并輸出到跨導(dǎo)前置放大器中運(yùn)算放大器(5)的同相輸入端?；谶\(yùn)算放大器“虛短”原理，該交流方波偏置電壓將在SBC 構(gòu)型兩端建立交流方波偏置電壓，加入交流方波偏置電壓后，放大器輸出的磁通-電流曲線如圖1(b)所示。3、磁通相位調(diào)整與直流磁通補(bǔ)償
在反饋線圈兩端與偏置電壓同頻同相的方波電流信號(hào)，在SQUID中產(chǎn)生方波磁通。該方波磁通幅度直接對(duì)應(yīng)SQUID正負(fù)電流-磁通曲線相位調(diào)整大小，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整方波電流幅度大小，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)磁通相位調(diào)整和直流磁通補(bǔ)償，使SQUID正負(fù)磁通-電流曲線相位一致。4、加法器或低通濾波器實(shí)現(xiàn)載波消除載波消除可以采取兩種方法加法器載波消除方波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生與放大器輸出偏置方波同頻反相的方波波形，將該方波與放大器輸出信號(hào)相加，利用正負(fù)抵消原理消除包含在放大器輸出信號(hào)中的載波成分。載波消除后，正負(fù)兩條磁通-電流曲線在橫坐標(biāo)軸上合并為一條曲線，具體抵消原理與過(guò)程如附圖3所示。低通濾波器載波消除將進(jìn)行磁通相位調(diào)整和直流磁通補(bǔ)償后的輸出信號(hào)輸入到低通濾波器中，低通濾波器截止頻率高于信號(hào)頻率并低于載波頻率，則基于該低通濾波器可有效消除放大器輸出信號(hào)中的高頻載波成分，使正負(fù)兩條磁通-電流曲線在橫坐標(biāo)軸上合并為一條曲線?；谏鲜鰞煞N方法實(shí)現(xiàn)對(duì)放大器輸出信號(hào)中包含的載波消除，避免使用電子開關(guān)解調(diào)引入附加的電路噪聲。5、積分反饋輸出經(jīng)過(guò)上述磁通調(diào)整和載波消除后，可采用通用的積分反饋?zhàn)x出方法，即通過(guò)積分器積分，將其輸出信號(hào)通過(guò)反饋電阻加入到反饋線圈轉(zhuǎn)變?yōu)榉答伌磐?，將SQUID環(huán)內(nèi)磁通鎖定在工作點(diǎn)處，并通過(guò)測(cè)量反饋電阻兩端的壓降讀出外界磁場(chǎng)變化信息。如圖4所示方波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的三路方波信號(hào)V1(偏置電壓方波)、V2(載波消除方波)和V3(磁通相位調(diào)整及直流磁通補(bǔ)償方波)，V1和V2是雙極性方波，V3可以是單極性方波，也可以是雙極性方波，這三個(gè)方波同頻同相。
權(quán)利要求
1.一種基于SQUID偏置電壓反轉(zhuǎn)的電路，超導(dǎo)SQUID器件(1)與Ll線圈(2)構(gòu)成第一條支路，分流電阻(3)和L2線圈串聯(lián)構(gòu)成第二條支路，SQUID環(huán)與兩個(gè)線圈分別互感耦合，這兩個(gè)支路并聯(lián)即構(gòu)成了 SBC構(gòu)型的低溫部分；其特征在于兩個(gè)支路并聯(lián)后連接到運(yùn)算放大器( 反相輸入端，直流偏置調(diào)整電壓源從運(yùn)算放大器同相端加入到兩條并聯(lián)支路的兩端，運(yùn)算放大器(5)和跨導(dǎo)電阻(6)構(gòu)成跨導(dǎo)前置放大器，SBC構(gòu)型中(1)、(2)、(3) 和(4)連接到跨導(dǎo)前置放大器，跨導(dǎo)前置放大器的輸出連接到次級(jí)放大器(8)，并依次連接到載波消除單元(9)、積分器(10)、反饋電阻(12)和反饋線圈(13)，方波信號(hào)發(fā)生器(11) 產(chǎn)生分別用于偏置電壓，載波消除和直流磁通補(bǔ)償及磁通相位調(diào)整三路方波信號(hào)，作為偏置電壓的方波信號(hào)連接到運(yùn)算放大器(5)的同相輸入端，載波消除方波信號(hào)連接到載波消除單元(9)，直流磁通補(bǔ)償及磁通相位調(diào)整方波信號(hào)連接到反饋線圈。
2.按權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于方波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的三路方波信號(hào)中用于偏置電壓的方法和載波消除的方波為雙極性方波，而用于直流磁性補(bǔ)償與磁通相位調(diào)整方波為單極性或雙極性方波。
3.按權(quán)利要求1或2所述的電路，其特征在于三路方波同頻同相。
4.按權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于①Ll線圈為KT1IiH量級(jí)，為串聯(lián)耦合線圈；②L2線圈為3nH，為并聯(lián)耦合線圈；③Ll線圈、L2線圈和反饋線圈與超導(dǎo)SQUID器件存在耦合關(guān)系；④跨導(dǎo)電阻的電阻值為3-10k；⑤反饋電阻的電阻值為數(shù)十kQ 數(shù)百kQ；⑥反饋線圈為3-10匝，毫米量級(jí)直徑的空心線圈，電感為納亨量級(jí)；⑦次級(jí)放大器增益為50-200倍；⑧積分器的積分時(shí)間常數(shù)為0.Ol-IOms0
5.按權(quán)利要求4所述的電路，其特征在于串聯(lián)耦合線圈Ll和并聯(lián)耦合線圈L2，在 SQUID中產(chǎn)生磁通導(dǎo)致相位調(diào)整后的正、負(fù)磁通電流曲線存在相位偏移。
6.按權(quán)利要求1所述的電路實(shí)現(xiàn)低頻噪聲抑制方法，其特征在于包括(a)跨導(dǎo)前置放大器輸入偏置電壓調(diào)整通過(guò)直流偏置調(diào)整電壓源(7)，對(duì)跨導(dǎo)前置放大器輸入失調(diào)電壓進(jìn)行補(bǔ)償；(b)交流方波偏置電壓加載由方波信號(hào)發(fā)生器(11)產(chǎn)生的交流方波偏置電壓，輸出到跨道前置放大器的同相輸入端，即偏置反轉(zhuǎn)波形通過(guò)運(yùn)算放大器同相輸入端加入，基于運(yùn)算放大器輸入端“虛短”原理，實(shí)現(xiàn)交流方波偏置電壓加載，該交流方波偏置電壓將在SBC構(gòu)型兩端建立交流方波偏置電壓；(c)磁通相位調(diào)整與直流磁通補(bǔ)償在反饋線圈兩端加入與方波偏置電壓同頻同相的方波電流信號(hào)，在SQUID中產(chǎn)生方波磁通；該方波磁通幅度直接對(duì)應(yīng)SQUID正負(fù)電流-磁通曲線相位調(diào)整大小，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整方波電流幅度大小，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)磁通相位調(diào)整和直流磁通補(bǔ)償，使SQUID正負(fù)磁通-電流曲線相位同相對(duì)齊；(d)基于加法器或低通濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)算放大器輸出信號(hào)中包含的載波消除，以避免附加的電路噪聲；(e)積分反饋輸出經(jīng)過(guò)上述磁通相位調(diào)整和載波消除后，采用通用的積分反饋?zhàn)x出方法，即通過(guò)積分器積分，將其輸出信號(hào)通過(guò)反饋電阻加入到反饋線圈轉(zhuǎn)變?yōu)榉答伌磐ǎ瑢QUID環(huán)內(nèi)磁通鎖定在工作點(diǎn)處，并通過(guò)測(cè)量反饋電阻兩端的壓降讀出外界磁場(chǎng)變化信息。
7.按權(quán)利要求6所述的抑制方法，其特征在于所述的加法器載波消除是將方波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生與放大器輸出偏置方波同頻反相的方波波形，將該方波與放大器輸出信號(hào)相加， 利用正負(fù)抵消原理消除包含在放大器輸出信號(hào)中的載波成分。載波消除后，正負(fù)兩條磁通-電流曲線在橫坐標(biāo)軸上合并為一條曲線。
8.按權(quán)利要求6所述的抑制方法，其特征在于所述的低通濾波器載波消除是將進(jìn)行磁通相位調(diào)整和直流磁通補(bǔ)償后的輸出信號(hào)輸入到低通濾波器中，低通濾波器截止頻率高于信號(hào)頻率并低于載波頻率，則基于該低通濾波器可有效消除放大器輸出信號(hào)中的高頻載波成分，使正負(fù)兩條磁通-電流曲線在橫坐標(biāo)軸上合并為一條曲線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于SQUID偏置電壓反轉(zhuǎn)的讀出電路及低頻噪聲的抑制方法，其特征在于通過(guò)偏置反轉(zhuǎn)電路，實(shí)現(xiàn)偏置反轉(zhuǎn)，從而抑制低頻噪聲的產(chǎn)生，具體是所述的讀出電路是由SBC構(gòu)型SQUID低溫部分和偏置反轉(zhuǎn)讀出電路兩部分構(gòu)成。抑制方法主要過(guò)程包括(1)放大器輸入偏置電壓調(diào)整；(2)交流方法偏置電壓加在；(3)磁通相位調(diào)整與直流磁通補(bǔ)償；(4)載波消除；(5)積分反饋輸出。本發(fā)明所涉及的電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，便于多通道集成，可廣泛應(yīng)用于生物磁、物探等低頻測(cè)量。
文檔編號(hào)G01R33/035GK102426343SQ20111025409
公開日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者張國(guó)峰, 江綿恒, 王會(huì)武, 王永良, 榮亮亮, 董慧, 謝曉明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所